GIC(Geomagnetically Induced Currents)가 변압기에 미치는 영향

1. 지자기 유도 전류(Geomagnetically Induced Currents)란 무엇인가?

지자기 교란(Geo-Magnetic Disturbance)은 태양의 활동으로부터 시작되는 지구 자기장의 교란입니다. 이러한 지자기 교란은 자연적으로 발생하는 현상입니다. 지구에 영향을 미칠 만큼 강력하고 복잡한 자기장을 생성할 수 있는 다양한 이벤트가 태양 표면에서 발생할 수 있습니다. 복잡한 자기장에 의해 보호되는 태양에서 비교적 차가운 영역인 흑점은 플레어와 코로나 질량 방출(Coronal Mass Ejection)을 일으킬 수 있습니다. CME는 우주 공간으로 이동하는 거대한 플라스마 공으로 시각화할 수 있습니다. CME가 지구를 향하면 지구 자기장과 상호 작용합니다. 한 가지 작용은 하전 입자를 지구의 자극으로 향하게 하는 것입니다. 여기에서 CME가 상층 대기에 충돌하면 일반적으로 북극광(Aurora Borealis) 및 남극광(Aurora Australis)으로 알려진 현상이 발생합니다. CME가 자기권과 상호작용할 때 전도성 전리층에 대한 지자기장의 움직임은 지표면 위 100km에서 150km를 흐르는 수백만 암페어 정도의 전류인 전자제트(Electrojets)의 크기를 증가시킵니다. 이러한 전자제트 전류는 송전 라인과 직렬 회로를 구성하여 거의 DC와 가까운 전위를 유도하여 직렬 회로 경로 상에 있는 곳이면 어디에서나 직류에 가까운 지자기 유도 전류(Geomagnetically Induced Currents)의 흐름을 유도합니다. 일반적으로 지자기 유도 전류(GIC)는 1Hz 이하의 유사 직류도 간주됩니다. 전력망, 즉 송전 시스템 및 전력용 변압기 등 송전선로에 흐르는 GIC의 흐름은 아래 그림과 같습니다.

송전선로에서 GIC의 흐름

 

2. GIC가 전력용 변압기에 미치는 영향

전력용 변압기에 DC가 유입되면 코어에 단방향의 DC 자속이 발생합니다. 이 자속의 크기는 DC의 크기, DC 전류를 전달하는 권선의 턴 수 및 DC 자속 경로의 자기저항에 따라 달라집니다. 그 결과 DC 자속은 반 주기 동안 AC 자속에 더해지고 나머지 반 주기 동안에는 AC 자속에서 빠집니다. 아래 그림과 같이, DC 자속이 상당히 크거나 변압기 코어의 설계 자속 밀도가 높으면 사이클의 반 주기 동안 코어의 포화 자속 밀도 범위에서 피크 자속 밀도가 발생합니다. 다음 그림과 같이 변압기 코어 재료의 B-H 특성은 본질적으로 매우 비선형적입니다. 더 큰 DC 자속의 경우 코어는 DC 암페어턴에 대해 매우 높은 자기저항을 제공합니다. 이는 결과적으로 더 작은 자속 밀도의 쉬프트가 발생하고, 자화 전류는 높은 피크가 짧은 지속 시간 발생하는 펄스 형태가 됩니다.

GIC(혹은 DC)가 변압기에 미치는 영향

 

3. 전력망에서 GIC의 영향

앞서 서술한 바와 같이, GMD에 의해 GIC가 발생하고, GIC가 변압기에 유입되면 변압기는 반주기 동안 자속이 포화되게 됩니다. 변압기 코어의 자속이 포화되면 무효전손실이 증가할 뿐만 아니라, 전류에 고조파가 함유되고, SVC 등의 조상설비류의 고장, 보호 계전 시스템의 오동작 등이 발생합니다.

변압기의 반주기 포화 현상은 DC 성분 고조파의 영향으로 변압기의 자화특성이 변하여 변압기 여자전류가 달라지는 현상으로, 변압기 권선의 결선 방식과 변압기 코어의 구조에 따라 달라집니다. 이렇게 변형된 여자전류에 의해 와전류 손실이 증가하고, 이로 인한 권선과 금속 구조물의 국부 발열, 과도한 손실(무효전력의 소비)이 발생하기도 합니다. 결국 변압기 수명 단축이나 영구 고장의 원인이 됩니다.

전력망에서 송전선로와 부하는 저항 성분 이외에 정전용량과 인덕턴스 등으로 구성되므로, 진상과 지상 무효전력 공급이 반드시 필요합니다. 그런데 GIC로 인한 전력망의 과도한 무효전력 소비는 조상설비 등의 과부하 차단과 오동작을 유발하고, GIC에 의한 고조파는 조상설비의 용량을 저감시킬 뿐만 아니라 보호계전기의 오동작의 원인이 됩니다. 이러한 사례가 1989년 3월에 발생한 캐나다 하이드로 퀘벡의 전력망 붕괴 사고입니다. 이 사고로 총 7기의 정지형 무효전력 보상장치인 SVC(Static Var Compensator)가 59초 동안 차단되어 무효전력 공급이 되지 않았습니다. 결국 25초 후, 전력망이 붕괴되어 600만 명이 9시간 동안 정전을 경험해야 했습니다. 이렇듯 전력망 내에서 GIC는 다양한 악영향을 끼쳐 결과적으로는 전력망이 붕괴되는 상황도 발생할 수 있습니다.